一种基于位阶计量运算的关键信息识别图像加密方法与流程

本发明涉及环保设备领域，具体地讲，涉及一种基于位阶计量运算的关键信息识别图像加密方法。

背景技术：

1、如今，随着信息爆炸时代的到来和网络技术的飞速发展，信息的安全传输已经成为人们越来越关注的问题。有各种形式的信息，如文本、图像、视频和音频。其中，图像多用于人们的日常生活，因为图像可以直观地让人们感受到他人想要传达的信息。图像加密是确保图像数据机密性的最重要方法之一。已经提出了几种经典的图像加密算法，如数据加密标准（des）、高级加密标准（aes），但它们不再适用于图像加密领域。寻找一种更高效的图像加密算法已成为相关领域学者的进一步工作方向。因此，近年来，虽然提出了许多新的图像加密算法，包括混沌系统、dna序列、细胞自动机、压缩感知、布尔网络和类感知器网络等。这些方法对整幅图像进行无差别加密，而整幅图像的有效信息只表现于某些区域，因此无差别的加密对缺乏的重要信息的保护，导致非重要信息也进行复杂度高的加密操作，进一步降低了时效性。

2、混沌系统由于其自身的特点，如对控制的敏感性，在图像加密中得到了广泛的应用参数和初始值、遍历性和不可预测性。对基于混沌的图像加密方案执行的常见操作包括使用从混沌映射获得的伪随机数的密钥流生成、图像像素级别的置乱操作和扩散操作。现有技术，例如一种基于dna和细胞自动机的图像加密算法、一种使用洛伦茨系统的明文相关图像加密算法，实现了图像在信道中的安全传输。但目前所提的加密方案大多分为置乱-扩散两步，因此缺乏时效性。存在以下缺陷：（1）加密方法与明文信息无关，易受到选择明文攻击，从而导致信息泄露；（2）加密方法分为先置乱后扩散，导致时效性地差；（3）扩散不充分导致像素易受到统计分析的攻击。这些缺陷大大降低了加密方法的安全性。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于位阶计量运算的关键信息识别图像加密方法，对关键信息进行了两次不同等级的加密，有效提高了关键信息的安全性，可以在信息安全等工程领域得到应用具有重要的价值。

2、本发明采用如下技术方案实现发明目的：

3、一种基于位阶计量运算的关键信息识别图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、s1：对大小为 m×n的明文图像 a进行预处理，通过对明文图像 a进行识别定位得到概括图像关键信息区域的关键信息图像 p；

5、s2：建立一种与明文图像 a高度关联的敏感密钥流生成技术；

6、s3：对于关键信息图像 p，提取其对应的像素的比特值作为比特矩阵，统计每个像素比特值中的0的数量，得到大小为 l × b的位阶计量矩阵 p_zero；

7、s4：对于密钥流 m1，将其转换为 l × b的矩阵，统计该矩阵每个值的比特位中的1的数量，得到大小为 l × b的位阶计量矩阵 m1 _one；

8、s5：计算关键信息图像 p旋转控制参数矩阵 m_xuan，并通过 m_xuan对关键信息图像 p进行旋转移位从而得到旋转位移后的图像 p_xuan；

9、s6：将图像 p_xuan转为大小为 l×8 ×b的位阶矩阵记为 p_bit，对其进行纵向置乱从而得到关键信息的加密图像 p_encrypt；

10、s7：将加密图像 p_encrypt与关键信息图像 p进行替换得到半加密图像 a_half；

11、s8：对半加密图像 a_half进行快速加密得到加密图像 a_encrypt。

12、作为本技术方案的进一步限定，所述s1的具体步骤为：

13、s11：将明文图像 a均匀网格化后，将明文图像 a转化为二进制图像；

14、s12：统计每个网格区域的二进制图像的占比，进一步统计扩大后的网格区域的二进制像素；

15、s13：对二进制像素包含最多的区域设为关键信息的矩形区域，得到关键信息图像 p。

16、作为本技术方案的进一步限定，所述s2的具体步骤为：

17、s21：随机生成192位的序列作为密钥 h，然后使用sha-256哈希函数获取明文图像 a的哈希值 i，并将其作为密钥的一部分，即密钥 k = {h, i}；

18、；（式1）

19、s22：采用洛伦兹系统生成密钥流，在读出洛伦兹系统的初始参数状态和后，计算伪随机密钥流生成的参数：和：

20、；（式2）

21、s23：将参数带入洛伦兹系统，设关键信息区域的大小为 l×b，迭代生成下述洛伦兹系统 l×b次从而得到序列 s1 、s2 、s3：

22、；（式3）

23、其中：表示洛伦兹系统的参数；

24、，，是洛伦兹系统时间序列的状态变量；

25、 n是时间序列， s1 、s2 、s3分别由迭代 l×b次的，，组成；

26、s24：对序列 s1 、s2 、s3进一步处理得到密钥流 { m1 、m2 、m3 }：

27、；（式4）

28、；（式5）

29、；（式6）

30、s25：进一步迭代洛伦兹系统得到大小为 m×n的序列 f。

31、作为本技术方案的进一步限定，所述s5的具体步骤为：

32、s51：通过式7及式8计算控制参数矩阵 m_xuan：

33、；（式7）

34、 ；（式8）

35、s52：通过式9旋转关键信息图像 p后的得到图像 p_xuan：

36、 ；（式9）

37、作为本技术方案的进一步限定，所述s6的具体步骤为：

38、s61：由于关键信息图像 p只在水平方向经历了旋转，因此，取每一层的 p_bit(:,:,  k), k = 1, 2, …, b，将其转为序列 q k；

39、s62：从 m3中取长位 l×8的序列，对其按大小排序，得到其对应的索引序列 sort；

40、s63：对序列 q k按索引序列 sort进行排序，将排序后的序列 q k恢复为 l×8的矩阵，并替换回 p_bit (:, :, k)，最后将二进制矩阵 p_bit重组为十进制矩阵得到关键信息的加密图像 p_encrypt。

41、作为本技术方案的进一步限定，所述s8的具体步骤为：

42、s81：对序列 f进行排序得到排序索引 f_sort；

43、s82：将 a_half转为一维序列后执行以下操作；

44、；（式10）

45、s83：将序列 a_encrypt转换为 m×n的矩阵。

46、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提出的加密方法首先采用一种新的秘钥流生成法，通过依赖于原始明文图像的方法生成随机密钥，可以有效地抵御已知明文和选定明文的攻击。此外，秘钥干扰的加密方法可以同时对像素的比特阶进行位置和数值的改变，进一步提高了加密的时效性和安全性。而对图像的物体的识别则有效提高了关键信息的安全。本发明提供的位阶计量运算的关键信息识别图像加密方法，包括建立明文高度关联的敏感密钥流技术，该技术可以感知明文的微小变化，从而生成完全不同的密钥流，可有效抵抗选择明文攻击。对关键信息进行高度安全的位阶计量运算加密，对整幅图像采取快速加密，有效的保证了关键信息的安全，同时提高了加密的时效性。在比特位阶对比特值进行乱序，从更宏观的角度看，直接改变了图像像素的值。此外，整幅图像的同步置乱扩散，有效地保护了全文信息的安全。